渠井結(jié)合灌區(qū)地下水位對不同渠系節(jié)水水平的響應(yīng)

劉菁揚(yáng) ，粟曉玲，劉俊民，趙永剛，沈長越

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.遼寧省市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006；3. 陜西省涇惠渠管理局，陜西 三原 713800；4.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006)

0 引 言

我國是一個貧水國家，且水資源的分布極其不均勻。北方作為我國商品糧的主產(chǎn)區(qū)，總體少雨，降水隨季節(jié)、地理因素變化顯著。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌區(qū)水資源的高效利用，對于保障國家糧食安全，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。國務(wù)院提出加快水利改革發(fā)展的規(guī)劃，要求到2020年逐步建立起水資源的高效利用體系，完成灌區(qū)的節(jié)水改造及相關(guān)配套建設(shè)。然而，隨著新型節(jié)水灌溉技術(shù)的運(yùn)用以及與之相關(guān)的農(nóng)業(yè)節(jié)水工程的實施，一方面使農(nóng)業(yè)用水效率有了顯著的提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯；另一方面，卻由于渠系滲漏補(bǔ)給量與灌溉入滲量的減少，隨之而來出現(xiàn)了地下水位下降、水土環(huán)境惡化等問題。因此，研究渠系節(jié)水水平，得到適宜的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，不但對渠井結(jié)合灌區(qū)水資源管理及節(jié)水改造工程具有指導(dǎo)作用，而且對環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，東經(jīng)108°34′34″～109°2l′35″，北緯34°25′20″～34°41′40″，灌區(qū)總面積約為1 568 km2，是北方平原中典型的渠井結(jié)合灌區(qū)。本文以該灌區(qū)作為研究對象，探討節(jié)水改造對該地區(qū)地下水位的影響。

研究人員針對涇惠渠灌區(qū)的水資源利用情況做過大量研究工作，其中節(jié)水工程實施對地下水位的影響是一個重要方向。研究方法既包括了對現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)的理論分析，還包括基于不同的模擬方法進(jìn)行的合理預(yù)測。例如，基于灌區(qū)多年實測數(shù)據(jù)，在渠灌與井灌用水的不同比例情況下，采用多元非線性相關(guān)分析法，周維博[1]等(2006)通過建立適宜的灌區(qū)地下水動態(tài)預(yù)報模型，模擬出較合適的渠井用水比例?；贏RCGIS 和PMWIN 地下水模擬軟件，根據(jù)灌區(qū)歷年實際用水情況，代鋒剛[2]等(2012)模擬了10種灌溉情景下地下水的變化趨勢，得到了在不同渠首有效灌溉引水量下，保持灌區(qū)地下水采補(bǔ)平衡的最佳渠井灌水比例。在將不同年份的潛水等水線圖進(jìn)行疊加的基礎(chǔ)上，通過切分，將灌區(qū)分成多個三角區(qū)塊，再運(yùn)用直線內(nèi)插法，王建瑩[3]等(2015)得到了灌區(qū)內(nèi)的潛水降深，根據(jù)給水度計算出了淺層地下水及潛水疏干變化。通過運(yùn)用基于GMS軟件中的MODFLOW模塊，在知曉灌區(qū)地下水年內(nèi)變化特征情況下，武弘族[4]等(2017)建立了月尺度的地下水?dāng)?shù)值模型，得到了豐水年、平水年、枯水年的冬、春、夏灌季和全年渠井用水的最佳比例，并得出了夏灌渠井用水比例對全年地下水位影響最大的結(jié)論。賀屹[5]等在針對渠井結(jié)合灌區(qū)的地下水位動態(tài)模擬研究中，運(yùn)用RD預(yù)報模型進(jìn)行模擬，聶相田[6]等對井渠結(jié)合灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置研究中，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)而建立優(yōu)化模型，以及黃鶴[7]、陳末[8]等在對地下水進(jìn)行資源評價研究中，運(yùn)用支持向量機(jī)模型進(jìn)行模擬。本課題組前期也做了一些相關(guān)研究工作[9]，基于支持向量機(jī)模型，以影響地下水位變化的主要因素為輸入變量，以地下平均水位為輸出變量，模擬了地下水位動態(tài)變化過程，確定了豐水年、平水年、枯水年灌區(qū)地下水采補(bǔ)平衡的最佳渠井灌溉用水比。

除渠井用水比例對地下水位有直接影響外，氣候變化、地表作物種植結(jié)構(gòu)、水資源統(tǒng)一調(diào)控管理機(jī)制等，都對地下水位變化有著顯著的影響，也有大量的研究報道。然而，目前針對灌區(qū)節(jié)水改造中，地下水位對不同渠系影響系數(shù)響應(yīng)的報道較少，干支渠以及斗口以下不同渠段由于其承載的功能不同，其各自的節(jié)水系數(shù)對地下水位的變化勢必產(chǎn)生較明顯的影響，因此對其進(jìn)行定量模擬研究具有重要的意義?；诖耍疚睦肍EFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，模擬不同渠系的節(jié)水系數(shù)對地下水位的影響，建立了一個三維非均質(zhì)、各向同性非穩(wěn)定的地下水?dāng)?shù)值模型，以此反映灌區(qū)地下水的動態(tài)變化。并在此基礎(chǔ)上，給出合適的渠系節(jié)水系數(shù)，為渠系防滲襯砌標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)，對灌區(qū)地下水的涵養(yǎng)、水資源的合理調(diào)控及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 涇惠渠灌區(qū)概況

涇惠渠灌區(qū)包括西安、咸陽、渭南三市的涇陽、三原、高陵、臨潼、閻良、富平6個縣(區(qū))[2]，見圖1?，F(xiàn)有渠系灌溉面積968.7 km2，灌區(qū)海拔在350～450 m之間，呈西北高、東南低的走勢，地面坡降1/300～1/600。灌區(qū)內(nèi)地下水主要分為潛水和承壓水，由于潛水范圍廣泛，且埋藏淺，進(jìn)而易于開采，也是灌區(qū)井灌用水的主要水源，也是本文的主要研究對象。灌區(qū)內(nèi)潛水的總體流向與該區(qū)域地勢基本保持為自西北向東南方向。但流向因受地形、河流切割、地貌、潛水開采程度等因素的影響，在不同地區(qū)亦不同[2]。灌區(qū)的地下水水力坡以清河為界呈現(xiàn)南北不同的趨勢，南部的水力坡度在4.71‰～1.74‰之間，北部的水力坡度在6.78‰～2.3‰之間。局部地區(qū)由于受到地下水過渡灌溉開采的影響，出現(xiàn)較大降落漏斗，潛水自由水面呈現(xiàn)由四周向漏斗中心傾斜的現(xiàn)象[2,10]。

圖1 陜西省涇惠渠灌區(qū)平面示意圖Fig.1 Schematic map of Jinghui Canal Irrigation District

2 地下水運(yùn)動模擬模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

首先，根據(jù)自然地形確定地下水系統(tǒng)的范圍，進(jìn)而定義兩類邊界。第一類邊界水流邊界設(shè)定為灌區(qū)東、南、西部的三條自然河流，分別為灌區(qū)內(nèi)石川河、渭河、涇河；第二類邊界設(shè)定為灌區(qū)北邊界的黃土臺塬。

第二，根據(jù)灌區(qū)水文地質(zhì)資料，可知區(qū)域內(nèi)淺層潛水與承壓水兩個含水層之間分布有厚度在20～65 m之間的弱透水層，且自西北向東南導(dǎo)水性漸弱。同時查閱灌區(qū)機(jī)井深度及地下水位監(jiān)測值可知，絕大部分機(jī)井深度在100 m以內(nèi)，所以潛水受地下水開采影響最大，承壓水基本不受影響，因此本次模擬試驗將潛水含水層作為最終研究對象。

第三，確定灌區(qū)地下水的補(bǔ)給排泄方式。地下水豎向補(bǔ)給包括干支斗渠滲漏量、灌溉水入滲量、降水入滲量、開采回歸補(bǔ)給量等，將其作為垂向入滲補(bǔ)給。橫向補(bǔ)給也是側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給較弱，包括河流的側(cè)向補(bǔ)給量和北部黃土臺塬含水層的側(cè)向補(bǔ)給量。灌區(qū)內(nèi)潛水蒸發(fā)排泄量很小，人工開采依然是最主要的排泄方式，還包括南部邊界的側(cè)向地下徑流流出量[11]。

根據(jù)以上分析，灌區(qū)的地下水動態(tài)模型可以概括為：各向同性的非均質(zhì)介質(zhì)中，三維潛水的非穩(wěn)定流動，該模型也是本文模擬研究的核心問題。

2.2 數(shù)學(xué)模型

基于上文確立的灌區(qū)水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：K為含水層的滲透系數(shù)，m/d；H(z,y,z,t)為范圍內(nèi)某一點(diǎn)在某一時刻的水位，m；H0(x,y,z)范圍內(nèi)某一點(diǎn)的起始水位值，m；h為地下水潛水面到不透水底面的距離，m；μ為給水度；W為地下水的源項、匯項，m/d；Γ2為第二類邊界；q(x,y,z)為第二類邊界條件，為邊界上單位面積流量，m3/(d·m2)。

2.3 模型區(qū)域確定及有限單元網(wǎng)格的剖分

分別將石川河、渭河、涇河、黃土臺塬作為研究區(qū)域的東、南、西、北四個邊界，研究區(qū)總面積約為1 568 km2。有限單元網(wǎng)格的剖分首先要將圖形邊界數(shù)據(jù)經(jīng)過工具(Arcview)轉(zhuǎn)化成shp格式的多邊形文件，進(jìn)而在FEFLOW中予以調(diào)用，通過模型內(nèi)在的模擬運(yùn)算，自動剖分成三角形網(wǎng)格形式的超級單元網(wǎng)格。由于三角形網(wǎng)格剖分靈活多變，且易于控制邊界范圍，因此作為本文的首選方式。在網(wǎng)格單元的自動剖分過程中，為保證地下水動態(tài)有限元模型的精度，對本次模型建立的每個觀測點(diǎn)都采取了有限元網(wǎng)格的加密處理。網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖2。

圖2 區(qū)域內(nèi)地下水流范圍有限元網(wǎng)格剖分成果圖Fig.2 Result map of finite element meshing of groundwater flow in the region

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)及邊界條件

2.4.1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及確定

《涇惠渠灌區(qū)淺層地下水資源調(diào)查研究成果報告》中指出，該研究區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)劃分為：①強(qiáng)富水亞區(qū)，包括ⅠA，ⅠB涇渭河漫灘及一級階地；②富水亞區(qū)，包括ⅡA，ⅡB，ⅡC涇河二級階地，以及Ⅳ黃土臺塬；③中等富水亞區(qū)，包括ⅢB渭河二級階地[12]。

在水文地質(zhì)單元分區(qū)的基礎(chǔ)上，再按照行政區(qū)劃，本文水均衡計算共分6個大區(qū)，包括涇陽、三原、高陵、臨潼、閻良、富平。均衡期以一個水文年為單位，計算2011年和2012年的地下水均衡量。各區(qū)域水均衡計算邊界按照涇陽、三原、高陵、臨潼、閻良、富平各個行政區(qū)域劃分邊界進(jìn)行劃分。

6個水均衡分區(qū)的給水度和滲透系數(shù)見圖3。

圖3 區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)參數(shù)分布圖表Fig.3 Hydrogeological parameters in the region

根據(jù)水文地質(zhì)資料，研究區(qū)第四系含水層下存在多個透水性很弱的黏土層，其總厚度約為70 m，在地表以下30～80 m呈南向北向分布。因此，本次試驗將該黏土層設(shè)定為地下水的隔水底板。

2.4.2 邊界條件的確定

根據(jù)灌區(qū)的地勢特點(diǎn)，北部黃土臺塬的側(cè)向流入，作為研究區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給；西、南、東三個方向為研究區(qū)的流出邊界。

2.5 源匯項的確定

降水入滲量、渠系水滲漏量、灌溉水入滲量作為灌區(qū)地下水在垂直方向上的源項；地下水開采量、潛水蒸發(fā)量作為垂直方向上的匯項，側(cè)向徑流補(bǔ)給和側(cè)向徑流排泄作為在水平方向上的源匯項。在源項中的渠系水滲漏量，只包含干、支渠的滲漏量；而斗口以下渠道的滲漏量包含在灌溉水入滲量中；側(cè)向徑流補(bǔ)給和排泄量在邊界條件的賦值中進(jìn)行設(shè)置；蒸發(fā)、入滲與地下水埋深有關(guān)。

2.6 初始條件的確定

本次試驗中，設(shè)定2010年 12月1日為初始流場；模擬期為2010年12月-2011年11月；檢驗期為2011年12月-2012年11月。選擇時間步長為“自動時間步長”，選擇“模擬時間”為365 d。

3 模型的識別與檢驗

3.1 模型識別

試驗中需首先輸入地下水位的觀測值與模擬值，在本次試驗中通過2011年20個觀測井的地下水位觀測數(shù)據(jù)值來調(diào)試模型的水文地質(zhì)參數(shù)。通過多次調(diào)試，當(dāng)模型輸出的模擬結(jié)果與實測地下水位值擬合度較好時，將此時參數(shù)確定為該模型的水文地質(zhì)參數(shù)值。經(jīng)過試驗?zāi)Ｐ偷淖R別，得到識別結(jié)果：灌區(qū)各分區(qū)滲透系數(shù)K及給水度μ如圖4。

圖4 模型輸出水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果Fig.4 Results of hydrogeological parameters output by the model

3.2 模型檢驗與分析

本次試驗通過對比每個觀測井的模擬值與實際值之間的絕對誤差值，通過驗證其誤差值是否在規(guī)范要求內(nèi)，來判定模型的精度。通過對比，模擬水位的絕對誤差值(△)最高為2.83 m，最低為0.06 m。

遵照《地下水資源管理模型工作要求》(GB/T14497-93) 中規(guī)定，觀測井中需要有70% 的井?dāng)?shù)誤差在1 m之內(nèi)即可達(dá)到目標(biāo)要求。本次試驗中，所有觀測井中(20個)已有80% (16個)誤差在1 m之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。圖5列出了本次試驗中各觀測井絕對誤差值。

圖5 試驗觀測井的絕對誤差值Fig.5 Absolute error value(△) of the test observation well

模型誤差精度滿足后，對比整個區(qū)域的實際地下水流場現(xiàn)狀與模擬結(jié)束得出的2012年末地下水流場，整體變化趨勢相同，地下水均呈現(xiàn)由西北向東南的流場方向，對比圖如圖6。其中南部和中間部分地區(qū)擬合效果最好，擬合線近乎重合；在兩側(cè)東、西部地區(qū)存在一定的偏差，東部擬合較差。從總體看，模型精度較好，可以進(jìn)行進(jìn)一步的模擬研究。

圖6 試驗區(qū)地下水流場模擬對比圖Fig.6 Simulation comparison chart of groundwater flow field in the test area

4 不同渠系節(jié)水水平下灌區(qū)地下水位的響應(yīng)

4.1 節(jié)水情景設(shè)置

本次試驗旨在遵循節(jié)水增效原則，為渠井結(jié)合灌區(qū)提高灌溉水利用系數(shù)，解決地下水降落漏斗問題提供可參考的依據(jù)。在灌區(qū)近年來淺層地下水資源調(diào)查報告和各市縣節(jié)水改造規(guī)劃[12,13]前提下，參考吳景社[14]等節(jié)水灌溉綜合效應(yīng)評價研究方法，確定本次模擬在灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)及面積不變的情況下，以干、支、斗渠以及下灌溉水有效利用系數(shù)，綜合凈灌溉定額等為自變量，地下水位變化為因變量。試驗運(yùn)用上一節(jié)識別出的地下水動態(tài)模型對涇惠渠灌區(qū)地下水位在以下11種組合節(jié)水水平下的響應(yīng)進(jìn)行模擬。見圖7。試驗中選取2012年的地下水位、土地種植結(jié)構(gòu)、水文信息值、渠系水利用系數(shù)等為作為現(xiàn)狀水平年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗中初始時間點(diǎn)設(shè)定為2011年12月1日，模擬近期一年365 d的地下水變化情況。

圖7 節(jié)水情景設(shè)置Fig.7 Water-saving scenarios

4.2 模擬響應(yīng)結(jié)果及分析

不同節(jié)水水平情況下的水均衡結(jié)果見圖8。

圖8 不同節(jié)水情景下的水均衡量比較(單位:萬m3)Fig.8 Difference of water balance in various scenarios

經(jīng)過模擬，各節(jié)水水平情景相互之間的地下水位顯現(xiàn)出差異，但由于模擬時間僅為1年，進(jìn)而各情景之間的水位差異較小。圖9列出了現(xiàn)狀年和最優(yōu)情景的地下水位空間分布情況。

圖9 不同節(jié)水情景地下水空間分布圖Fig.9 Spatial distribution map of groundwater in different water-saving scenarios

本試驗中的11種情景設(shè)置，是在分別保持灌溉定額、干支渠水有效利用系數(shù)、斗口以下灌溉水利用系數(shù)中兩項參數(shù)不變的情況下，探究地下水位對另一項參數(shù)變化的相應(yīng)。

(1)在保持田間灌溉定額、斗口以下灌溉水利用系數(shù)不變情況下，只改變干支渠水有效利用系數(shù)(情景1、2、4)，得到結(jié)果：當(dāng)干支渠水有效利用系數(shù)提高，由0.71分別提高至0.75、0.80，渠系滲漏量、渠首總引水量銳減(具體數(shù)值可見水均衡量表)，灌區(qū)整體水位降低0.05、0.06 m，其中三原、臨潼、閻良地下水位響應(yīng)明顯，下降較多。

(2)在保持田間灌溉定額、干支渠水有效利用系數(shù)不變情況下，只改變斗口以下灌溉水利用系數(shù)(情景1、5、9、10、11)，得到結(jié)果：提高斗口以下灌溉水利用系數(shù)，井灌開采量明顯減少。灌區(qū)整體地下水位響應(yīng)明顯，上升較多，其中三原、涇陽地下水位上升明顯。表明斗口以下灌溉水利用系數(shù)的增加對減緩灌區(qū)地下水位的下降有較好效果。

(3)在保持干、支、斗及以下灌溉水利用系數(shù)不變情況下，只改變灌溉定額(如情景1、8)，得到結(jié)果：當(dāng)降低灌溉定額，渠首灌溉引水量、井灌開采量有一定幅度的減少，灌區(qū)整體地下水位有響應(yīng)，平均水位上升0.03 m。由此對比可知，減小綜合凈灌溉定額對減緩地下水下降有一定效果。

(4)綜合比對可知(情景1、3、9、10、11)，影響地下水位變化的程度因素：斗口以下灌溉水利用系數(shù) > 干支渠水有效利用系數(shù)。在灌溉定額一定的情況下，改變干支渠水有效利用系數(shù)對地下水涵養(yǎng)作用基本無效，其變化與地下水位回升效果略成反比；而降低綜合凈灌溉定額能顯著的減少灌區(qū)灌溉水量，進(jìn)而大幅減少地下水灌溉開采，直接影響地下水位對其的響應(yīng)，對地下水涵養(yǎng)作用直接有效；但綜合對比響應(yīng)程度，地下水對斗口以下灌溉水利用系數(shù)變化的響應(yīng)最明顯，其系數(shù)的增加對地下水涵養(yǎng)作用明顯，地下水位上升明顯。

綜合以上不同節(jié)水水平，模擬最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)干支渠水有效利用系數(shù)為0.71，斗口及以下灌溉水有效利用系數(shù)為0.90時，地下水位上升最明顯。地下水對斗口以下灌溉水利用系數(shù)變化的響應(yīng)最明顯，對灌溉定額變化的響應(yīng)次之，對干支渠水有效利用系數(shù)變化的響應(yīng)不明顯。近年來，涇陽、高陵、閻良的地下水降落漏斗擴(kuò)大趨勢減?。辉谏a(chǎn)實際中且考慮節(jié)水工程實施的實際情況下，優(yōu)先提高斗口以下灌溉水有效利用系數(shù)，并配以適當(dāng)?shù)那盟壤瑢Φ叵滤暮B(yǎng)有積極作用。

5 結(jié) 論

通過分析梳理地下水位的變化成因，了解地下水系統(tǒng)的各大影響因素，運(yùn)用FEFLOW軟件建立渠井結(jié)合灌區(qū)(涇惠渠灌區(qū))地下水三維模擬模型。在滿足模擬規(guī)范要求的精度要求下，模擬灌區(qū)11種不同節(jié)水水平情景，研究地下水位對不同影響因素條件下的響應(yīng)情況。結(jié)果顯示，地下水位對本次研究的三種主要影響因素條件下的響應(yīng)情況為：斗口以下灌溉水利用系數(shù) > 灌溉定額 > 干支渠水有效利用系數(shù)。模擬最終得到灌區(qū)最優(yōu)渠井節(jié)水水平配置：干支渠水有效利用系數(shù)0.71，斗口及以下灌溉水有效利用系數(shù)0.90。所以生產(chǎn)實際中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮提高斗口以下灌溉水有效利用系數(shù)，并此為依據(jù)確定灌區(qū)渠系防滲襯砌標(biāo)準(zhǔn)，這對灌區(qū)地下水的涵養(yǎng)、水資源的合理調(diào)控及未來發(fā)展具有重要意義。